專利名稱：用于纖維玻璃的環焰爐的制作方法
用于纖維玻璃的環焰爐 本發明涉及用于熔化玻璃組分尤其是待轉變為纖維的玻璃組分的設備。玻璃纖維主要有兩種類型的應用強化復合材料和熱絕緣。用于強化復合材料(具有熱固性或熱塑性的有機基底或無機基底， 例如水泥或混凝土類型的)的玻璃纖維在側焰爐類型的傳統爐中通常相對 容易熔化。而對于某些用于絕緣的富含氧化鋁的組分則不是這樣。一些高性能的纖維(尤其是那些具有較高機械強度和較高耐腐蝕性 能的纖維)必須含有大量的中間化學成分(這是本領域技術人員用來命名 那些在網絡形成物和網絡改性物之間起中間作用的成分的術語)，例如氧 化鋁(A1203 )或氧化鋯(Zr02)。這些成分也賦予改善的耐火性能。這些 成分的添加導致產生了比傳統玻璃例如鈉鉤硅玻璃更難熔化的組分。并不 是總能使用著名的堿金屬氧化物類型的有效助熔劑，因為它們對在某些應 用中所必需的電阻和耐腐蝕性能有不利影響。氧化硼(B203 )經常被用作 用于可纖維化的玻璃組分的替代助熔劑，已經有人提出在側焰爐中熔化具 有高的氧化鋁含量的組分時使用氧化硼。為了更有效地熔化不含硼的可玻璃化的組分，已經有人提出在側焰 爐中添加頂式燃燒器以及向所有的燃燒器供應氧氣使得能夠達到所需的 溫度。使用氧氣作為助燃劑還允許達到很高的燃燒效率。但是，氧氣是一 種昂貴的助燃劑。經常使用環焰爐來熔化鈉鈣硅類型的傳統玻璃，更具體地用于熔化 空心玻璃。與平板玻璃相比，空心玻璃的應用不太需要高質量的玻璃，尤 其是在細小氣泡的含有率方面。環焰爐很適合用于空心玻璃的應用中，盡 管其靈活性相對較低。實際上，環焰爐具有主要始于該爐上游面并且在經 歷了一個環形之后又返回到該爐上游面的火焰，且不太可能調整它的運 行。但是，環焰爐的設計簡單，使用很少的燃燒器卻獲得極高的燃燒效率。 相反，側焰爐需要多得多的燃燒器，它們的調節是棘手的。申請人發現環焰爐的使用不是必然獲得可纖維化的玻璃。實際上， 在某些情況下，寄生相的形成使得最終的玻璃完全不能纖維化。已證實硼 的存在可能是這個問題的根源。現在已經發現環焰爐非常適合于熔化含有氧化鋁和/或氧化鋯的無 硼可纖維化組分。實際上，現在已經發現環焰爐向含有氧化鋁和/或氧化 鋯的無硼可纖維化組分的熔化提供了理想的溫度分布，而這是采用少量燃 燒器實現的。實際上，少量的燃燒器大大便利了爐子的調節。可獲得非常高的燃燒效率，高于70%，甚至達到80%，同時可以使用空氣作為助燃劑。 環焰爐從裝料區起就提供所需的高溫。因此，本發明允許不使用昂貴的助 熔劑一一氧化硼。此外，還觀察到，硼的缺失所反映出的結果是更少的泡 沫形成在玻璃的表面上，這相應地提高了火焰和熔融浴之間的熱交換。燃燒器指的是并列地包括燃料噴射器和助燃劑導入管的組件，其中 助燃劑有助于火焰的形成。文件EP805123提出使用具有分級燃燒的氧燃燒爐(使用純氧作為助 燃劑)來熔化可玻璃化的物質，尤其是在環焰爐中(參見其圖3)。提供 了所有可能的玻璃應用，其中特別包括纖維化。這里的主要目的是減少構 成爐壁的耐火材料的磨損。然而，純氧是一種昂貴的助燃劑，本領域技術 人員力圖使用空氣。但是，使用空氣進行EP805123所提出的分級燃燒是不 可想象的，因為要引入到各側上的空氣的流量將需要建造非常多和非常昂 貴的管道。另外，就獲得高的燃燒率而言，分級燃燒也是不合適的。實際上， 溫度越高，熱的傳遞就越有效。通過分級燃燒，獲得的是相對低的溫度， 熱的傳遞也相應地降低了，這導致在最終的玻璃里有未熔物(由可玻璃化 的原料的不充分熔化所造成的缺陷)。現在已經發現，如果大部分礦物能量由環焰爐的上游面提供，那么 最終的玻璃就不會有這些不期望的缺陷。本發明尤其允許以非常高的燃燒 效率熔化有高含量Ah03和/或Zr02的玻璃，燃燒效率通常高于70%且通常 是從70%到80%。術語"上游"和"下游"應解釋成相對于熔融物質的流動方向而言。 一個爐子通常包括四個側壁，上游面是位于最上游的那個面，相反，下游 面位于熔融物質的出口區域。因此，本發明首先涉及一種制備玻璃的方法，該玻璃包含少于2%重 量比的氧化硼(B203基)且含有的氧化鋁或氧化鋯(以及需要時含有氧化 鋁和氧化鋯)的量使得氧化鋁和氧化鋯的質量之和占至少8%重量比，可玻 璃化的物質的熔化在裝有再生器的環焰爐中實現，至少80%的礦石能量由環形火焰引入，在所述爐子的上游面處引入火焰的助燃劑和燃料，助燃劑為空氣或者富含氧的空氣，所述助燃劑含有至多30%體積比的氧氣。優選 地，100%的礦石能量由環形火焰引入，在所述爐子的上游面處引入火焰的 助燃劑和燃料。可經由上游面或在爐子側壁的上游區域干引入或濕引入可玻璃化的 物質。如果擔心有飛濺的風險，則進行濕引入。優選地，通過所述側壁中 的洞口在爐子側壁的上游區域將可玻璃化的物質裝入，以便限制粉末狀的 可玻璃化的物質的飛濺。這些洞口通常位于側壁的上游第一個三分之一 處。因此，可玻璃化的物質通常在側面洞口處以粉末的形式被引入。如果 它們被干引入，那么優選地，借助螺旋裝料機來完成。本發明還涉及一種用于制造礦物纖維的設備，其包括用于熔化可玻 璃化的物質的環焰爐，續接纖維化單元(通常用于纖維化玻璃)。環焰爐 在上游面上裝有至少一個燃燒器以產生環形火焰，所述火焰產生至少80% 的用于加熱所述爐子的礦石能量。可以在爐子和纖維化單元之間放置精煉 室，但這通常是不需要的。實際上，現在已經發現纖維化應用對于玻璃中 氣泡的存在非常包容。通過根據本發明的方法，所獲得的玻璃每升包含ioo 至6000個氣泡(直徑小于50微米)，而這很適合纖維化應用。因此，簡單 的流動管道將環焰爐與纖維化單元相連接。在本申請中不再詳細描述纖維 化單元，這種類型的單元對應于文獻中所描述的單元，是本領域技術人員 所熟知的。更具體地，這里的目標纖維是采用例如拉絲纖維化方法或在纖 維化離心器中進行內部離心的纖維化方法(在WO0161088或EP0189534中參 見對這些方法的綜述)經由孔所形成的纖維。因此，本發明還涉及一種制 備玻璃纖維的方法，包括在環焰爐中制備玻璃的方法，續接將玻璃轉變成 纖維的方法。用來使環焰爐運行的助燃劑是空氣或者富含純氧的空氣，純氧提供 助燃劑流中全部氧的至多40%，這等價于含有至多30%體積比氧氣的助燃 劑。這種助燃劑具有至少1250。C的溫度，優選地至少1350。C。得益于再生 器的使用才達到這個溫度。實際上，助燃劑在被引入到爐子中之前已被再 生器加熱過。再生器為本領域技術人員所熟知。它們被放置在爐子的上游面的后 面。它們由耐火磚(這包括耐火陶瓷磚)構成，耐火磚放置在兩個分開的 依次運行的隔室中。火焰自上游面的半邊處發出，然后掃過爐子中的大氣勾畫出一個環形以便朝向上游面的另外半邊返回。經由上游面的這個另外 半邊中的孔回收煙，煙的熱量加熱放置在其中一個再生器中的耐火磚，其 中再生器放置在上游面的后面。當耐火磚足夠熱時，顛倒爐子的運行，即， 使火焰從爐子的另外半邊發出并由放置在爐子的另外半邊的后面的另一 個再生器回收煙。熱的再生器用于加熱作為火焰助燃劑的空氣或富含氧的 空氣。燃料(例如，液體燃油或甲烷、丙烷或丁烷類型的可燃氣體)與助 燃劑被分開地引入，但是燃料的引入點靠近助燃劑的引入點。無論在哪種 情況下，燃料和助燃劑經由相同的上游面半邊被引入。這樣，使爐子以一
個方向運行直到在回收煙的再生器中獲得了至少1250。C的溫度，然后顛倒 爐子的運行。再生器中所容許的溫度當然取決于對所使用材料的選擇。某 些陶瓷的使用允許達到甚至高于1450。C的溫度，以及甚至在1500。C的數量 級。還觀察到再生器中源自煙的沉積物消失了。所使用的組分中含有低比 例的氧化硼似乎是這種消失的原因。
除了經由上游面所提供的主要礦石能量之外，爐子通常還裝有補充 電加熱器，其通常占到爐子中所使用的總能量的0至50%。因此，總能量的 通常0至50%，更通常是5至30%，源自電(非礦石能量)。通常，在不超過 爐頂所能承受的溫度的前提下，力圖盡可能多地使用礦石能量。因此，根 據爐頂的耐火能力，以最高水平利用礦石能量，并通過通常浸沒在熔融浴 中的電極供電來補充所需的能量。供電也允許增加爐子的產出量。
爐子可裝有提壩(耐火的)，其浸漬在熔融玻璃中并設置在下游那 半中甚至在爐子下游最后一個三分之一中。這個堤壩的作用是促進熔融玻 璃浴內部的對流帶。這些運動構成了擾動，增加了停留時間，這所反映出 來的結果是未熔物的比例下降。平均而言，在通過下游處的流動出口孔離 開爐子之前，玻璃可轉例如數十圈。也可以設置一橫排起泡器，放置在堤 壩的上游，通常就在堤壩的前面，以促進對流。這些起泡器還有一個作用
是驅散泡沫以改善火焰給玻璃的熱傳遞。
本發明所涉及的玻璃包括通常至少35%重量比和通常至多70%重量比 的氧化硅。這種玻璃包含通常少于2%重量比甚至少于1%重量比的氧化硼 (B203 )。特別的，不含或少含硼的E玻璃非常合適。然而，氧化硼(B203 基)卻可能存在于最終的玻璃中，含量為至少lppm重量比。玻璃甚至還可 能包含低比例的堿金屬氧化物，尤其是少于1%重量比，或者甚至不含有。 但是，優選地，玻璃包含足夠多的堿金屬氧化物類型(R20，其中I^Na、 Li或K)和堿土金屬氧化物(例如MgO、 Ca0、 Ba0、 Sr0)類型的助熔劑(堿 金屬氧化物的質量和堿土金屬氧化物的質量之和)，以使它的液相線溫度 低于1250。C,優選地甚至低于1200。C。這樣，在根據本發明所使用的玻璃 中，堿金屬氧化物的質量和堿土金屬氧化物的質量之和通常高于20%重量 比而低于40%重量比。
玻璃包含氧化鋁(A1203)或氧化鋯(ZrOj (意思是玻璃可含有氧化 鋁和氧化鋯)使得Al203與Zr02的重量百分比之和為至少8M重量比，通常至 少10%重量比，甚至至少12%重量比，但通常低于25%重量比。特別地，玻 璃可以不包含氧化鋯，在這種情況下，玻璃則包含至少10%重量比的氧化 鋁且通常低于25%重量比的氧化鋁。更具體地，本發明適合于進行共晶型 熔化或主要進行共晶型熔化的組分，這意味著至少95%重量比的可玻璃化 的物質進行共晶型熔化。
圖l示出了俯視看到的可用于本發明的環焰爐。該爐包括上游面l、 兩個側面2和2，以及下游面3。該爐裝有兩個相同的再生器4和4，，它們并列 地放置在上游面的后面。每個再生器放置在半個上游面的后面。洞口6和6， 設置在側壁2和2，中，用于引入可玻璃化的物質。這些洞口設置在側壁的上 游第一個三分之一處。浸漬在熔融浴中的堤壩5設置在爐子的下游那半中。 在圖l的情形中，火焰起自上游面的半邊la處。火焰在爐子的大氣中勾畫 出一個環形以便回轉向上游面的另外半邊lb處。當再生器4，中的耐火磚足 夠熱時，爐子的運行顛倒成圖2所示。在這種情況下，火焰起自上游面的 半邊lb處，煙的熱量回收在另一個再生器4中。火焰的助燃劑是穿過再生 器4，時被加熱的空氣。最終的玻璃穿過設置在爐子的下游面3上的孔7流出。
該玻璃隨后供應給纖維化單元。
圖3示出了通過側壁從側面看到的爐子。可識別出堤壩5和起泡器8 ， 后者產生氣泡以驅散玻璃表面上的泡沫并促進火焰和熔融浴ll之間的熱 交換。在熔融浴11中產生了對流帶10。
圖4示出了通過下游壁3從側面看到的爐子。在熔融浴ll的上方、在 爐頂12的下方，可識別出兩個生成環形火焰的系統，所述系統依次運行。 每個生成火焰的系統各包括一個進氣口13和13，以及燃料噴射器14和14，。
圖5將根據本發明的環焰爐情形下的溫度曲線與傳統側焰爐情形下 的溫度曲線(溫度在玻璃流動方向上的變化)進行了比較，其中兩種爐子 的表面積和加熱功率相同。可以看到，環焰爐在較為上游處獲得了更高的的玻璃的熔化非常有利。側焰爐的溫度不會 上升得這么快，在本發明所針對的可玻璃化的物質的情形下，如果產出量 變得很高，那么這會導致產生未熔物。圖6示出了俯視看到的現有技術中 的傳統側焰爐。對這種爐子來說，可玻璃化的物質也是通過側壁中位于上 游的洞口15和15，而引入的。眾多的側裝燃燒器16裝在側壁上。煙的熱量 被回收器17所回收。經由出口18回收玻璃。回顧一下，回收器是以換熱器 模式運行的，即經過一個管道的煙加熱了經過另 一個管道并供應給側裝燃 燒器的空氣。在再生器(用在本發明中)的情形下，只有一個管道，燃燒 氣體加熱包含在再生器中的耐火成分，然后進行一次顛倒，新鮮空氣隨后 流經再生器以被加熱并為燃燒器供應空氣流。這種運行意味著再生器通常 是成對運行的。可能會想到制造裝有再生器的側焰爐，以提高燃燒效率并 接近環焰爐的燃燒效率。但是，每個燃燒器將必須具有各自的空氣滲透窗， 而這極其昂貴。為了達到在環焰爐情形中所觀察到的上游溫度，還必須將 側裝燃燒器設置在裝料洞口的上游。假設即使達到了環焰爐的熱學性能 (溫度分布和燃燒效率)，但還是需要與燃燒器的數目相同的滲透窗，考 慮到所需的燃燒器的數目，這會造成相當可觀的成本。因此，對于所針對 的組分，任何側焰爐都不能以相等的成本達到環焰爐的性能。這個結果對 于本領域技術人員而言不是顯而易見的。
權利要求
1.一種制備玻璃的方法，該玻璃包含少于2％重量比的氧化硼且含有的氧化鋁或氧化鋯的量使得氧化鋁和氧化鋯的質量之和占至少8％重量比，該方法的特征在于，可玻璃化的物質的熔化在裝有再生器的環焰爐中實現，至少80％的礦石能量由環形火焰引入，火焰的助燃劑和燃料在所述爐子的上游面處引入，助燃劑為空氣或者富含氧的空氣，所述助燃劑含有至多30％體積比的氧氣。
2. 前述權利要求的方法，其特征在于，玻璃包含足夠多的堿金屬氧 化物或堿土金屬氧化物類型的助熔劑，以使玻璃的液相線溫度低于 1250。C。
3. 前述權利要求的方法，其特征在于，玻璃包含足夠多的堿金屬氧 化物或堿土金屬氧化物類型的助熔劑，以使玻璃的液相線溫度低于 1200。C。
4. 前述權利要求之一的方法，其特征在于，堿金屬氧化物的質量和 堿土金屬氧化物的質量之和高于20%重量比。
5.前述權利要求之一的方法，其特征在于，堿金屬氧化物的質量和 堿土金屬氧化物的質量之和低于40%重量比。
6. 前述權利要求之一的方法，其特征在于，100%的礦石能量由環形 火焰引入，火焰的助燃劑和燃料在所述爐子的上游面處引入。
7. 前述權利要求之一的方法，其特征在于，助燃劑為空氣。
8. 前述權利要求之一的方法，其特征在于，總能量的0至50%源自電。
9. 前述權利要求的方法，其特征在于，總能量的5至30%源自電。
10. 前述權利要求之一的方法，其特征在于，玻璃包含少于1%的氧 化硼。
11. 前述權利要求之一的方法，其特征在于，玻璃包含的氧化鋁或 氧化鋯的量使得氧化鋁和氧化鋯的質量之和為至少10%重量比。
12. 前述權利要求的方法，其特征在于，玻璃包含的氧化鋁或氧化 鋯的量使得氧化鋁和氧化鋯的質量之和為至少12%重量比。
13. —種制備玻璃纖維的方法，包括根據前述權利要求之一的制備 玻璃的方法，續接將所述玻璃轉變成纖維的方法。
14. 前述權利要求的方法，其特征在于，為了將所述玻璃轉變成纖 維，纖維穿過孔。
15. 前述權利要求之一的方法，其特征在于，助燃劑以至少1250。C 的溫度被引入到爐子中。
16. 前述權利要求的方法，其特征在于，助燃劑在被引入到爐子中 之前被再生器加熱過。
17. —種用于制造礦物纖維的設備，包括用于熔化可玻璃化的物質 的環焰爐，續接纖維化單元，其特征在于，爐子裝有再生器和用于在 爐子上游面處引入空氣或富含氧的空氣的裝置，其特征還在于，纖維 化單元通過孔形成纖維。
18. 前述權利要求的設備，其特征在于，爐子設置有位于側壁上游 第一個三分之一處的洞口，用于裝入可玻璃化的物質。
19. 前述設備權利要求之一的設備，其特征在于，爐子中裝有放置在爐子的下游那半中的浸漬堤壩。
20. 前述權利要求的設備，其特征在于，至少一橫排起泡器放置在 堤壩的上游。
21. 前述設備權利要求之一的設備，其特征在于，爐子中設置有浸 沒在熔融浴中的電極。
全文摘要
本發明涉及一種制備含有少量硼、含有氧化鋁或氧化硼的玻璃的設備和方法，可玻璃化的物質的熔化在裝有再生器(4、4i)的環焰爐中實現，大部分的礦石能量由環形火焰引入，火焰的助燃劑和燃料在所述爐子的上游面(1)處引入，助燃劑為空氣或者富含氧的空氣。熔化室可續接玻璃纖維化單元。本發明允許以極高的燃燒效率和高的生產率產生纖維。
文檔編號C03B5/235GK101626985SQ200780046967
公開日2010年1月13日 申請日期2007年12月13日 優先權日2006年12月18日
發明者D·雅克 申請人:圣戈班研究公司